KR20110062855A - 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템에 관한 것으로서, 초고층 건물의 외부에 고정되도록 시공되어 외기와 접촉하는 외부창(100); 상기 외부창(100)의 내측면에 고정되도록 시공되는 차양박스(200); 상기 차양박스(200)의 내측면에 고정되도록 시공되는 창틀프레임(300); 상기 외부창(100)과 일정한 간격을 유지하며 상기 창틀프레임(300)에 개폐가능하게 설치되는 내부창(400); 및, 상기 차양박스(200)의 내측 상부에 설치되어 상기 내부창(400)과 상기 외부창(100) 사이의 공간을 승하강하면서 태양광을 차단하는 차양(500);를 포함하여 구성되되, 상기 내부창(400)은 복층의 고단열 유리로 시공되는 것을 특징으로 한다.

외부창. 차양박스, 창틀프레임, 내부창, 차양, 단열재

Description

초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템{High Rise Building Energy Saving Window System}

본 발명은 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템에 관한 것으로서, 외기 조건에 능동적으로 대처함으로써 하절기 냉방에너지 절감은 물론 동절기 난방에너지 절감도 동시에 수행할 수 있는 새로운 개념의 창호구조에 관한 것이다.

최근 초고층 건물에 대한 관심과 그리고 실현에 대한 의지가 높아지고 있어 향후 10년 이내에 100층 이상의 초고층 건물이 7개 이상 서울시에 시공되며, 이중 150층이 넘는 프로젝트도 3개에 이른다. 이런 순위에는 들지 못하더라도 향후 현재의 고층빌딩들에 비해 더 높은 건물들이 많이 시공될 것으로 판단된다. 하지만 초고층건물은 에너지 소비가 매우 높다. 국내 단일 건물 중 연간 에너지 소비량 순위는 도1에 도시된 바와 같고, 향후 초고층건물이 시공되면 그 순위는 바뀌어질 가능성이 매우 높다.

초고층 건물에 커튼월 공법은 건물 자중의 감소와 공사의 용이성을 위해 필 수적인데, 창호부는 건물에 있어 열적으로 가장 취약하다는 단점이 있다. 또한 현대 건축에 있어 유리는 가장 중요한 디자인 요소의 하나로 자리를 잡고 있으며, 이로 인하여 건물 입면상 유리 면적의 증가는 건물 에너지 소비에 더욱 큰 영향을 미치게 된다.

건물 에너지 소비에 관한 이해를 돕기 위해 건축물 에너지절약 설계기준을 살펴보면 난방기 건물 에너지 소비에 주요한 파라매트가 되는 창호의 열관류율(U값)은 3.84W/m²K 정도이며, 이 값은 외벽면 열관류율(U값) 0.47W/m²K에 비해 7배 이상 높다. 최근 시공되는 고층건물은 대부분 Low-E(low-emmissivity) 유리 수준의 성능이 요구되며, 이를 경우에도 열관류율(U값)은 1.5 ~ 1.8/m²K 정도가 되어 창호의 열관류율은 외벽면에 비해 여전히 높아 건물에 높은 열손실을 발생시키는 가장 큰 원인이 된다.

다음은 일사의 투과량을 결정하는 창호부의 에너지관류율(G값)에 대한 이해이다. 통상 에너지관류율(G값)은 난방기에는 일사의 수동적(passive) 이용을 위해 높은 값이 요구되며, 반대로 냉방기에는 일사의 효과적 차단을 위해 낮은 값이 요구된다. 일반적으로 복층 단열유리의 에너지관류율(G값)은 0.6 ~ 0.65 수준이며, 크립톤을 충전한 3중 단열유리의 경우 열관류율(U값)은 0.7W/m²K인 반면 에너지관류율(G값)은 0.5로 낮아지며, 제논 충전 시는 열관류율(U값)은 0.4W/m²K 으로, 에너지관류율(G값)은 0.4까지 낮아진다. 그러므로 건물의 형태, 방향, 용도 등을 고려하 여 창호의 면적뿐만 아니라 열관류율 및 에너지관류율이 통합적으로 고려된 유리를 합리적으로 선택하여야 한다.

통상적으로 유리는 열관류율(U값)이 낮아지면 투과율이 떨어짐으로 에너지관류율(G값)도 낮아짐으로 간혹 고단열창은 난방기 일사에너지의 수동적 활용에는 불리할 수 있다. 다시 말하면 난방기에 남측면은 열획득이 열손실보다 크므로 에너지관류율(G값)이 너무 작으면 일사의 수동적 활용에 불리하고, 동, 서, 북측의 유리를 통한 일사에너지 획득은 창호부 열손실보다 적음으로 에너지관류율(G값)은 큰 의미가 없고 고단열 창호를 적용하여 열손실을 방지하여야 한다.

하지만 냉방기에는 반대의 결과가 발생할 수 있어 유의하여야 한다. 빛은 유리를 투과하면서 부분적 흡수를 통해 실내 또는 실외에 열로 방사되지만, 대부분은 유리를 투과한 후 실내의 물질과 접한 후 열에너지로 변환되어 실내로 방출된다. 만약 이 열이 효과적으로 제어되지 못하면 실내에 높은 냉방부하가 발생하게 된다. 재실자에 의한 또는 기타 실내발생열원에 의해 열부하가 높은 공간에는 중간기에서부터 높은 냉방부하로 냉방에너지 소비가 발생하거나 창호부 복사에 의한 실내쾌적성이 심각한 훼손이 발생할 수 있다.

일사의 합리적 차단유무는 차폐계수(SC값)을 통해 이루어 진다. 외부차양은 0.15 ~ 0.20, 그리고 내부차양은 0.60 ~ 0.70로서 적용 위치에 따라 차폐개수의 값의 차이가 매우 크다. 국내는 혹한기와 혹서기가 동시에 존재함으로 난방기엔 내부차양의 적용이 필요하고, 냉방기엔 외부차양의 적용이 필요하다. 하지만 국내 기후는 기상변화가 심하여 일반적인 외부차양은 파손에 의해 2차적인 안전상 피해를 유발할 수 있어 적용이 쉽지 않다. 그러므로 국내 고층건물은 대부분 내부차양이 적용되고 있으며, 높은 반사율의 차양을 적용하여도 유입된 일사는 대부분 실내에 적체되어 온실효과가 발생한다. 이런 문제점 해결을 위해 최근 현장에 적용되는 삼중유리, 적외선 차단막, 투광 조절창 등의 새로운 기술은 열관류율(U값) 또는 에너지관류율(G값)을 목적에 맞게 개선할 수는 있다. 하지만 국내와 같이 극단적인 혹한기와 혹서기를 가진 기후대에서는 가변형 U값/G값을 가진 창호가 필요하며, 이를 통해 냉방기와 난방기에 합리적으로 대응할 수 있다.

도2은 종래의 싱글 창호에서 (a)내부차양이 적용된 경우의 일사 유입량, 및 (b)외부차양이 적용된 경우의 일사 유입량을 각각 도시하는데, 외부차양이 적용된 경우 일사 유입량이 현저히 저하됨을 알 수 있다.

한편 내부차양이 적용된 경우와 외부차양이 적용된 경우의 문제점은 다음과 같다.

<내부차양 적용시 창호>

일반적으로 국내에서 시공되는 대부분의 고층건물은 내부차양이 적용된다. 이에 따라 커튼월의 내측면에 차양박스부분이 설치되어 있고, 여기에 베네치안블라인드 또는 커튼 등이 적용된다. 유리는 가장 보편적인 24mm 복층유리가 적용되며, 여기에 Low-E(low-emmissivity) 코팅유리 또는 아르곤(argon) 충진을 통해 유리의 단열성능을 개선할 수 있다. 최근에는 유리 한 장을 더 첨부시킨 삼중유리가 적용되기도 한다. 물론 삼중유리에도 Low-E(low-emmissivity) 코팅유리를 최대 2장까지 적용하거나 아르곤(argon) 충진이 가능하다. 통상 본 유리의 에너지관류율(G값) 은 유리의 스펙에 따라 0.5 ~ 0.7 수준이며, 가장 보편적으로 적용되는 25mm 일반블라인드 슬렛(slat)을 적용시 차폐계수(SC값)은 0.5 정도에서 결정된다. 내부차양은 국내 대부분의 현장에서 적용되고 있으며, 기술적으로 뿐만 아니라 비용적으로도 가장 용이한 사양이나, 내부 발열부하가 많은 공간에서는 이미 중간기부터 냉방이 가동되어야 함으로 초기투자비는 적지만 에너지소비가 가장 많이 발생하는 ㅂ방식이며, 특히 냉방 에너지소비가 높아 유지관리비 상승을 초래하게 된다.

<외부차양 적용시 창호>

외부차양은 SC값이 0.15~0.2 수준으로 매우 낮다. 이로 인해 일반적인 유리와 함께 적용시 약 0.15 수준의 차폐계수(SC값)을 달성할 수 있다. 외부차양은 돌출 고정형과 베네치안 블라인드 형식이 적용되는 가변형이 있다.

돌출형 외부차양은 고정형으로 수직 또는 수평형으로 구성되며, 태양고도에 따라 창호입면에 그늘을 제공한다. 가격은 고가이나 창호면 전체에 그늘을 제공하기에는 부족하여 냉방기 성능이 다소 떨어지며, 난방기에는 반대로 유입일사량이 저감하여 난방에너지소비량 저감에는 다소 불리할 수 있다. 하지만 고정형으로 인해 파손에 대한 우려가 적어 유지관리가 용이하다는 장점은 있다.

가동형 외부차양은 창호의 전면에 부착하여 설치되며, 작동되는 슬렛(slat)이 상하로 움직이며 태양의 입사각에 따라 각도를 조절할 수 있음으로 일사차단효과는 가장 유리하다. 하지만 구조적 안전의 확보를 위해 와이어로 양면을 고정하여 레일을 따라 슬렛(slat)이 가동하며, 풍압이 크게 걸리면 파손의 우려가 높아 안전상 문제가 발생할 가능성이 높아 고층부에서는 적용된 사례가 없다.

외부차양은 외기에 직접 노출됨으로 표면의 노후화가 빨리 진행되며, 또한 먼지가 슬렛(slat)의 표면에 부착되어 유지관리에 대한 요구가 높아질 수 밖에 없다. 수평형 외부차양은 외기에 직접 노출될 경우 황사와 같은 조건에서 표면상태가 빨리 더러워지며, 돌출부에 의해 청소시 안전상의 문제가 발생할 수 있음으로 유지관리에 대한 신중한 검토가 필요하다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명은 난방기와 냉방기에 따라 냉난방에너지 소비를 동시에 최소화할 수 있으며, 제품의 내구성을 향상시키고 최초 설치비용과 유지보수 비용을 절감할 수 있는 새로운 개념의 창호시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.

본 발명은 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템에 관한 것으로서, 초고층 건물의 외부에 고정되도록 시공되어 외기와 접촉하는 외부창(100); 상기 외부창(100)의 내측면에 고정되도록 시공되는 차양박스(200); 상기 차양박스(200)의 내측면에 고정되도록 시공되는 창틀프레임(300); 상기 외부창(100)과 일정한 간격을 유지하며 상기 창틀프레임(300)에 개폐가능하게 설치되는 내부창(400); 및, 상기 차양박스(200)의 내측 상부에 설치되어 상기 내부창(400)과 상기 외부창(100) 사이의 공간을 승하강하면서 태양광을 차단하는 차양(500);를 포함하여 구성되되, 상기 내부창(400)은 복층의 고단열 유리로 시공되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구성에 따르면 다음과 같은 기술적 효과가 있다.

첫째, 냉방기와 난방기에 따라 에너지 소비를 최소화할 수 있다.

다시 말하면, 냉방기(하절기)에는 차양(500)을 가동하고 차양(500)에 반사되는 일사를 에너지관류율(G값)이 높은 외부창(100)을 를 통하여 신속히 외부로 방출하고, 외부창(100)과 내부창(400) 사이의 공간에서 발생되는 온도상승에 기인한 열에너지도 에너지관류율(G값)이 높은 외부창(100)을 통하여 신속히 외부로 방출하고, 단열부를 구성하는 내부창(400)은 외부창(100)과 내부창(400) 사이의 공간에서 발생된 열에너지가 실내로 유입되는 것을 효과적으로 차단하여 냉방기(하절기)에 냉방 에너지 소비를 최소화할 수 있다.

또한 난방기(동절기)에는 차양(500)을 가동하지 않고 가능한 많은 일사가 실내로 투과될 수 있도록 유도하여 태양의 일사에너지를 실내 난방에 활용하여 난방기(동절기)에 난방 에너지 소비를 절감할 수 있다.

즉, 도3에 도시된 바와 같이 외기 조건에 따라 에너지 절약을 위한 능동적인 제어가 가능하여 사계절에 걸쳐 에너지를 효과적으로 절감하고 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있다.

둘째, 외부창(100)과 내부창(400) 사이의 공간(중공층)이 밀폐형으로 시공되어 먼지나 외기에 의한 영향이 없어 차양(500)이 설치된 중공층에 대해 청소와 같은 유지관리의 필요성이 적고, 중공층을 이루는 외부창(100)과 내부창(400)의 구성으로 인해 단열성능이 개선될 수 있다.

셋째, 제품의 내구성을 향상시키고 최초 설치비용과 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

다시 말하면, 차양(500) 외부로 노출되지 않고 외부창(100)과 내부창(400) 사이의 공간에 간단하게 설치됨으로써, 최초 설치비용을 합리적인 수준에서 낮출 수 있고, 차양(500)의 유지보수를 위한 관리비용을 절감할 수 있다.

넷째, 차양(500)의 수리가 필요한 경우에는 내부창(400)을 개방하여 보다 용이하게 정비할 수 있다.

다시 말하면 고정된 외부창(100)과 개폐되는 내부창(400)으로 인해 필요에 따라 중공층에 대한 유지관리 그리고 차양의 수리나 교체가 용이하다.

이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도5는 본 발명의 구체적 실시예의 측면 단면 구조를 도시하고, 도6는 본 발명의 구체적 실시예의 정면 구조로서, (a)외부창, 및 (b)내부창(400)을 각각 도시하고, 도7은 본 발명의 구체적 실시예의 평면 구조를 개략적으로 도시한다.

외부창(100)은 (초)고층 건물의 외부에 고정되도록 시공되어 외기와 접촉하는 부분이다.

외부창(100)은 높은 풍압에도 견딜 수 있도록 커튼월 공법으로 시공되는데, 본 발명의 구체적 실시예에서는 8mm 두께의 반강화 투명 유리가 적용되었다.

고정설치된 외부창(100)은 풍압을 완벽하게 차단하며 일사의 효과적 유입을 유도할 수 있어야 함과 동시에 외부창(100)과 내부창(400) 사이에 발생한 열이 외부로 쉽게 배출될 수 있도록 한다.

이를 위해 에너지관류율(G값)이 높은 유리를 사용하여 일사의 유입을 효과적으로 유도하는 것이 바람직한데, 외부창(100)의 구체적 실시예의 경우 열관류율(U값)은 5.0W/m²K이고 에너지관류율(G값)은 0.8 로서 높은 수준을 적용하였다.

차양박스(200)는 도5에 도시된 바와 같이 외부창(100)의 내측면에 고정되도록 시공되며 차양(500)이 설치되는 공간을 제공한다.

차양(500)은 차양박스(200)의 내측 상부에 설치되어 내부창(400)과 외부창(100) 사이의 공간을 승하강하면서 태양광을 차단하는 역할을 하는데, 스크린 방식이 사용될 수도 있고 분절된 다수 개의 슬렛(slat)으로 구성되는 베네치안 블라인드 방식이 적용될 수도 있다.

본 발명의 구체적 실시예에서는 반사율이 70% 이상인 고반사 블라인드 슬렛(slat)으로 구성되는 베네치안 블라인드 방식의 적용을 통해 일사가 외부로 반사될 수 있는 비율을 높였다. 사용된 슬렛의 규격은 25mm 또는 45mm가 될 수 있으며 전동식 또는 수동식으로 승하강이 가능한데, 이와 같은 승하강 수단은 일반적인 기술 사항에 해당하는 바 별도의 도시나 설명은 생략한다.

또한 차양(500)에 접촉된 빛이 열로 변하는 비율이 높다고 하더라도 외부창(100)의 열관류율(U값)이 5.0W/m²K 으로 높고, 이에 비하여 내부창(400)은 복층의 고단열 유리(1.5W/m²K)로 시공되는 바, 발생된 열이 외부창(100)으로 전도되어 쉽게 외부로 방출될 수 있다.

창틀프레임(300)은 도5에 도시된 바와 같이 차양박스(200)의 내측면에 고정되도록 시공된다.

창틀프레임(300) 내부에는 우레탄 계열(λ= 0.030 이하)의 단열재(600)로 충진되는데, 이와 같이 창틀프레임(300) 내부를 우레탄 계열의 단열재(600)로 충진함으로써 커튼월 시공의 문제점 가운데 하나인 프레임 부분에서의 단열 성능을 획기적으로 개선할 수 있는데 우레탄 충진이 50mm 이상일 경우 유리 부분 보다 더 높은 단열 성능의 실현도 가능하다.

내부창(400)은 창틀프레임(300)에 개폐 가능한 구조로 설치되어 외부창(100)과 일정한 간격을 유지하게 된다.

내부창(400)은 필요에 따라 일사가 효과적으로 실내로 유입될 수 있어야 하며 냉방기 중에는 차양(500)에 의해 열로 변한 빛이 실내로 전도되는 것을 최대한 차단하기 위하여 높은 단열 성능이 요구된다.

따라서 내부창(400)은 도5에 도시된 바와 같이 복층의 고단열 유리로 시공되는데, 본 발명의 내부창(400)에 적용된 유리의 열관류율(U값)은 1.5W/m²K이고 에너지관류율(G값)은 0.5 이다.

이러한 내부창(400)은 기밀을 유지하는 복층 유리 사이의 공간에 아르곤(argon)과 같은 불활성 가스를 충진시키고, 복층 유리의 내측면에는 Low-E(low-emmissivity)코팅처리를 하며 유리는 24mm 의 두께를 가진다.

Low-E(low-emmissivity)코팅처리는 도5에 도시된 바와 같이 복층 유리 각각의 내측면에 적용될 수도 있고, 첨부도면으로 별도로 도시하지는 않았으나 복층 유리 가운데 어느 하나(실외측 또는 실내측)의 내측면에만 적용될 수도 있다.

상기한 바와 같은 구조로 내부창(400)와 외부창(100)이 구비되면 내부창(400)와 외부창(100) 사이의 공간(중공층)의 온도는 기밀을 유지할 경우 60℃ 이상으로 상승할 것으로 예상되며, 외부창(100)의 열관류율(U값)은 5.0W/m²K 이고 내부창(400)의 열관류율(U값)은 1.5W/m²K 이므로(다시 말하면 외부창(100)의 열관류율(U값)이 내부창(400)에 비하여 상대적으로 매우 높으므로) 실내외 온도가 동일하다고 가정할 경우 내부로의 열전달을 외부로의 열전달의 30% 수준으로 저감할 수 있다.

또한 난방기나 일사가 없는 야간의 경우 고단열의 내부창(400)은 외부창(100)과 함께 높은 단열 성능을 확보할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 기술적 사상을 구체적 실시예를 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

도1은 국내 단일 건물의 연간 에너지소비량을 보여주는 표이다.

도2은 종래의 싱글 창호에서 (a)내부차양이 적용된 경우의 일사 유입량, 및 (b)외부차양이 적용된 경우의 일사 유입량을 도시한다.

도3는 본 발명의 구성에 따른 창호시스템의 (a)난방기의 일사 유입량, 및 (b)냉방기의 일사 유입량을 도시한다.

도4은 난방기 열손실을 비교한 도면으로서, (a)본 발명의 구성에 따른 창호시스템, 및 (b)일반 로이 단열복층 유리의 경우를 각각 도시한다.

도5는 본 발명의 구체적 실시예의 측면 단면 구조를 도시한다.

도6는 본 발명의 구체적 실시예의 정면 구조로서, (a)외부창, 및 (b)내부창(400)을 각각 도시한다.

도7은 본 발명의 구체적 실시예의 평면 구조를 개략적으로 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100:외부창

200:차양박스

300:창틀프레임

400:내부창

500:차양

600:단열재

Claims (6)

1. 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템에 관한 것으로서,

   초고층 건물의 외부에 고정되도록 시공되어 외기와 접촉하는 외부창(100);

   상기 외부창(100)의 내측면에 고정되도록 시공되는 차양박스(200);

   상기 차양박스(200)의 내측면에 고정되도록 시공되는 창틀프레임(300);

   상기 외부창(100)과 일정한 간격을 유지하며 상기 창틀프레임(300)에 개폐가능하게 설치되는 내부창(400); 및,

   상기 차양박스(200)의 내측 상부에 설치되어 상기 내부창(400)과 상기 외부창(100) 사이의 공간을 승하강하면서 태양광을 차단하는 차양(500);

   를 포함하여 구성되되,

   상기 내부창(400)은 복층의 고단열 유리로 시공되고

   상기 차양(500)이 설치되는 상기 내부창(400)과 상기 외부창(100) 사이의 공간은 기밀성을 유지하도록 시공되는 것을 특징으로 하는 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템.
2. 제1항에서,

   상기 외부창(100)은 상기 내부창(400)에 비하여 열관류율(U값)이 상대적으로 높은 것을 특징으로 하는 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템.
3. 제1항에서,

   상기 내부창(400)을 구성하는 복층 유리의 일표면에는 Low-E(low-emmissivity)코팅이 되는 것을 특징으로 하는 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템.
4. 제1항에서,

   상기 내부창(400)을 구성하는 복층 유리 사이의 내부 공간에는 불활성 가스로 충진되는 것을 특징으로 하는 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템.
5. 제1항에서,

   상기 창틀프레임(300) 내부에는 우레탄 계열의 단열재(600)로 충진되는 것을 특징으로 하는 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템.
6. 제1항 내지 제5항 가운데 어느 한 항에서,

   상기 차양(500)은 베네치안 블라인드 방식인 것을 특징으로 하는 초고층 건물의 에너지 절약형 창호시스템.

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